拉拉山水电站电气二次设计浅释

邓 伟 英

(四川省内江市水利电力建筑勘察设计研究院，四川 内江　641000)

拉拉山水电站电气二次设计浅释

邓 伟 英

(四川省内江市水利电力建筑勘察设计研究院，四川 内江641000)

摘要：拉拉山水电站是巴楚河干流规划推荐的首期开发工程，电站已于2014年12月正式投产。电站运行情况良好，基本达到设计要求，为巴楚河干流梯级开发带了个好头。实践证明，电站二次系统的方案设计和设备选择是合适的。

关键词：拉拉山水电站；电气二次设计；监控系统；继电保护

1工程概况

拉拉山水电站位于四川省甘孜州巴塘县境内，电站厂址距巴塘县城31 km，为引水式电站，发电取水自巴楚河干流，其厂房位于巴楚河左岸，电站建成后以发电为主。该电站为巴塘县巴楚河“一库五级”开发的第三级电站，电站装机2台，总装机容量96 MW，是巴楚河干流规划推荐的首期开发工程。发电机与主变压器组合方式：采用2台发电机2台变压器单元接线方式。电站出线电压等级为220 kV，出线共2回，1回由松多水电站接入，1回至巴塘500 kV变电站。

2电气二次设计

2.1计算机监控系统

2.1.1设计原则

(1)电站按“无人值班、少人值守、远程控制”原则设计，采用全计算机监控系统运行模式。系统能达到高可靠、高性能地全计算机监控，远程维护，全网络化信息交换的控制水平，以适应“关门电站”的发展需要。

(2)实现电站与成都控制中心远程服务器之间的通信，满足电网调度自动化要求，完成遥测、遥信、遥调、遥控等全部的远动功能。

(3)通过串行接口或者现场总线等实现电站计算机监控系统与电厂继电保护系统、机组辅助系统、公用辅助系统、在线检测系统、消防监控系统、工业电视系统、水情自动测报系统等的通信。

(4)系统应高度可靠、冗余，其本身的局部故障不应影响现场设备的正常运行，系统的MTBF、MTTR及各项可用性指标均应达到《水电厂计算机监控系统基本技术条件(DL/T578-2008)》的规定

(5)系统配置和设备选型应符合计算机发展迅速的特点，充分利用计算机领域的先进技术，达到当前的国际先进水平。

(6)系统为全分布、全开放系统，既便于功能和硬件的扩充，又能充分保护应用资源和投资，分布式数据库及软件模块化、结构化设计，使系统能适应功能的增加和规模的扩充，并能自诊断。

(7)实时性好、抗干扰能力强，人机接口界面友好、操作方便。

2.1.2系统结构及特点

(1)结构

拉拉山电站计算机监控系统拟采用开放式分层分布系统，全分布数据库。整个系统由电厂站控级计算机和现地控制单元(LCU)组成，采用不低于100 Mbps交换式以太环网连结。电站的计算机监控系统能对全厂主要机电设备进行监视和控制，并可通过网关机与省调通信。电站计算机监控系统通过不低于100 mbps以太网交换机接入主干环网，再通过巴塘服务区到成都的622 MbpsSDH设备(已经投入使用)提供的100 Mbps以太网接口，实现与成都控制中心的数据通信。

拉拉山电站各发电机组分别设置一套LCU，公用设备、开关站(包括主变)及闸门监控各设置一套LCU；LCU直接监控设备的生产过程，既可作为分布系统中的现地智能终端，又可作为独立装置单独运行。各个LCU通过以太网与远程I/O通信。

电厂站控级和各LCU分别设有其监控范围内完整的实时数据和历史数据。当各LCU与上位机系统通信中断时，能保存至少2小时的历史数据，并能在通信正常后响应上位机系统的命令将中断期间的历史数据信息传输到上位机系统，恢复上位机的历史数据库。

本监控系统局域网按IEEE 802.3u设计，采用全开放的分布式结构，网络介质采用光纤或屏蔽双绞电缆，通信规约TCP/IP，网络的传输速率不小于100Mbps。

网络应用层协议应采用国际上通用的、使用范围较广的开放标准IEC 60870-5-104，保证监控系统可靠而无瓶颈地接入成都控制中心和调度数据专网。

(2)监控系统结构具有如下特点：

①开放。本监控系统应完全符合国际标准定义的开放式环境，如采用Windows XP操作系统，编程采用C语言等高级语言，应用程序的开发界面采用功能图等语言。

②分布。功能和数据库分布在系统各节点上。使本监控系统具有更高的效率、更高的可靠度及更好的可扩性。

③高度可靠、冗余。本系统采用冗余全光纤的100MBPS交换式快速以太网，冗余系统服务器(兼操作员)和冗余电源系统等。

④上位机、下位机、辅机控制系统应支持在线及离线编程，远程编程维护。

2.2继电保护及安全自动装置

2.2.1发电机保护配置

(1)发电机纵联差动保护；

(2)低压保持过电流保护；

(3)定子过电压保护；

(4)定子100%接地保护；

(5)定子95%接地保护；

(6)转子接地保护；

(7)定子过负荷保护；

(8)负序过电流保护；

(9)发电机失磁保护；

(10)励磁变电流速断保护；

(11)励磁变过流保护；

(12)励磁变温度保护(两段)。

2.2.2220 kV主变压器保护配置(见表1)

2.2.3 220 kV母线保护配置

表1　220 kV变压器保护配置比较表

220 kV母线设两套母差保护装置(均含失灵保护)。两套母差保护装置各组一面屏，1号屏、2号屏，功能配置包含(但不限于)以下所列：

(1)母线差动保护；

(2)母线过流保护；

(3)断路器失灵保护；

(4)A/TV断线报警等；

2.2.4220 kV线路保护(见表2)

表2　220 kV线路保护比较表

2.2.5开关站220 kV故障录波装置

(1)配置原则

①故障录波器必须通过国家有关部门的检验。采用国内知名品牌微机故障记录装置，并具有入网许可证。

②标准和规程

DL/T 533-94《220～500kV电力系统故障动态记录技术准则》

DL/T 633-1999《220～500kV电力系统故障动态记录装置检测要求》

DL/T 524-93《220～500kV电力系统故障动态记录装置测试标准》

③220kV故障录波装置设1面屏，包括故障录波器、故障录波分析软件、打印机、脉冲对时接口、备品备件、专用工具等。

④装置应能记录80路交流模拟量、128路开关量，以及故障测距及远传等功能。

⑤监测对象：220 kV主变(2台)、220 kV出线(3回)、220 kV母线及其关联设备

(2)220 kV故障录波采集量

①交流电流量：每条220 kV线路的3个相电流与1个零序电流量；每台220 kV断路器的穿越电流。每台主变中性点电流。

② 交流电压量：每条220 kV线路的3个相电压和1个零序电压量。每条220 kV母线电压互感器的3个相对地电压和零序电压。

③ 开关量：每台220 kV断路器位置接点；220 kV线路保护、母线保护、主变保护跳闸的命令输出接点，220 kV过电压保护动作输出命令、远方跳闸信号等，重合闸动作信号，线路光纤差动保护通信告警信号，安全自动装置操作命令。

2.2.610.5 kV厂用变微机保护装置

电流速断保护；

过流保护；

零序电流保护；

厂用变温度保护(两段)

2.2.735 kV微机保护装置

(1)保护配置

①主变中压侧进线：主变压器35KV侧过负荷及后备保护。

②至上游、至下游、备用出线回路；带低电压三段式电流保护；三相一次自动重合闸

带操作回路。

③至3#厂用变(3CB)出线回路；厂变电流速断保护；厂变过电流保护；厂变零序保护

带操作回路。

④至地网进线回路

电流速断保护；过电流(方向)保护；带操作回路

⑤ 35 kV母线

母线差动保护；零序电压保护

(2)高周切机装置

35 kV母线频率高限，切除地网回路

2.3厂变备自投

本工程设计设置三台厂用变压器供厂区用电，1CB、2CB分别接于1#、2#主变低压侧10.5 kV母线上，为Ⅰ、Ⅱ段0.4 kV母线供电。为满足Ⅰ、Ⅱ类厂用电负荷的供电要求，另配置一台35 kV变压器(3CB)备用电源，由35kV地网供电。同时，电站配置1台柴油发电机作为特殊情况下应急电源，并利用它进行电站黑起动。

厂变备自投选择PLC装置，备自投逻辑为：正常状态下，3DL、4DL、5DL分闸。 1CB、2CB互为第一备用，3CB作为两者第二备用。当1CB失电的时候，1DL分闸，5DL合闸。当2CB失电的时候，2DL分闸，5DL合闸。当1CB、2CB均失电的时候，1DL、2DL、5DL分闸，3DL、4DL合闸，由3CB提供电源。当1CB、2CB、3CB均失电的时候，1DL、2DL、3DL、4DL、5DL分闸，6DL手动合闸，由柴油发电机提供应急电源，5DL视情况操作。6DL不参与备自投逻辑，为手动操作。为了防止断路器非同期合闸，在各断路器的控制回路内均设置有相应的操作闭锁条件，闭锁接点之间的相互关系参见表3：

表3　接点关系表

2.4励磁系统

2.4.1励磁系统结构

本电站采用广州擎天实业有限公司生产的EXC9100自并励静止可控硅励磁系统。该励磁系统主要由励磁调节器单元(调节柜)、功率单元(2个功率柜)、灭磁及过压保护单元(灭磁柜)等组成。

2.4.2励磁调节器运行方式

励磁调节器的A/B/C通道中，都有两种运行方式：自动方式和手动方式。自动方式是主要运行方式，有利于提高电力系统的运行稳定性。在自动方式下，附加了PSS环节，可有效控制电力系统的有功低频振荡。

2.4.3起励控制方式

起励方式为：残压起励、外来220 V直流电源起励及软起励。正常情况下发电机励磁系统是在励磁调节器自动方式下采用残压起励建压的，若残压起励失败，则起动辅助起励电源。在机端电压达到发电机电压的15.1%，辅助起励回路自动退出。调节器的软起励，用于防止机端电压的起励超调。

2.4.4灭磁功能

励磁系统正常停机时，调节器自动逆变灭磁，事故停机时(发电机保护动作，水机事故)，跳灭磁开关将磁场能量转移到灭磁电阻灭磁。

2.4.5励磁系统控制

励磁系统可现地和远方控制。送至计算机监控系统的直流模拟量信号为4～20 mA，励磁系统配备与计算机监控系统接口的软件和硬件，接口采用RS485串行口通讯口。

2.5调速器系统

调速器由机械柜和电气柜组成。采用残压及齿盘测频，转速信号取自发电机机端PT及装于发电机大轴上的齿盘。

调速器应是以PID调节规律为基础的微机调速器(应是通过国家鉴定的成熟产品)，以原装进口工业控制计算机或可编程控制器及系列模板作为硬件核心，采用双通道冗余结构。具有频率—输出功率调整、转速调整、开度控制、水位控制、水头控制、电力系统频率自动跟踪、自诊断和容错及稳定等功能。调速器应能现地和远方进行机组的自动、手动开、停机和事故停机。并应提供与电站计算机监控系统连接的接口，包括硬件和软件。

2.6直流系统

为保证直流电源可靠性，电站控制电源系统选用两套400 Ah阀控式铅酸蓄电池直流电源装置作为电站计算机监控系统及继电保护系统等直流电源。直流电压等级为220 V、单只电池电压为2 V。整流器由多个高频开关整流模块并联组成，N+1热备份运行，可带电更换。采用微机监控仪完成充、放电控制，母线绝缘监测，各馈电支路绝缘监测，电池容量监测等，以通讯接口与公用LCU相接，上送直流系统有关参数。

2.7机组辅助设备及公用设备控制系统

2.7.1机组辅助设备及公用设备包括：

表4　辅助设备和公用设备比选方案表

2.7.2控制要求

(1)除检修排水系统外，其余设备系统均采用自动控制，其控制回路接线设计均应满足以自动控制为主(经由PLC实现)，现场手动控制为备用(手动控制，用于调试及紧急情况，不经由PLC实现)。每台电机分别设置“手动/切除/自动”方式切换开关(其中“自动”位置接点除满足自动控制要求外，还应分别引出一对无源空接点送电站计算机监控系统)。

(2)每套系统各电机均应分别设置运行信号灯，各电机故障、各变送器信号异常(如参数突变、参数超过高低限值等，由PLC软件判别)、压力及液位异常等信号则应综合设置1个“系统或装置故障”信号灯，但各电机运行及各类故障信号引出至远方“电站计算机监控系统”的信号则应分别采用独立的无源空接点引出。

(3)对于采用开关量和模拟量两种不同原理的控制模式则以模拟量为主且模拟量和开关量相互校核，互为备用。优先采用模拟量为主进行控制。

(4)本电站辅机控制系统主要采用Modbus通信方式与监控系统进行信息上传，介质采用Modbus专用屏蔽双绞电缆。

3结论

拉拉山水电站是巴楚河干流规划推荐的首期开发工程，电站已于2014年12月正式投产。电站运行情况良好，基本达到设计要求，为巴楚河干流梯级开发带了个好头。实践证明，电站二次系统的方案设计和设备选择是合适的。

邓伟英(1976-)，女，四川内江人，毕业于西南民族大学电力系统及其自动化专业，工程师，现为四川省内江市水利电力建筑勘察设计研究院电气设计室副主任.

(责任编辑：卓政昌)

收稿日期:2015-03-20

文章编号:1001-2184(2015)02-0114-04

文献标识码:B

中图分类号:TV7；F407.6；N945.23

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